陰影波導(dǎo)投射復(fù)雜的聲學(xué)模式來(lái)控制粒子

北卡羅來(lái)納州達(dá)勒姆——杜克大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)了一種新方法，可以利用聲波以復(fù)雜的方式操縱懸浮在液體中的微小顆粒。該技術(shù)被稱為“陰影波導(dǎo)”，僅使用兩個(gè)聲源在腔室內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)緊密受限的空間復(fù)雜聲場(chǎng)，而無(wú)需任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該技術(shù)為快速發(fā)展的聲鑷平臺(tái)提供了一套新的功能，該平臺(tái)在化學(xué)反應(yīng)控制、微型機(jī)器人、藥物輸送以及細(xì)胞和組織工程等領(lǐng)域具有應(yīng)用。

該研究于 8 月 18 日在線發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

聲學(xué)鑷子是一種新興技術(shù)，它使用聲波來(lái)操縱懸浮在液體中的小顆粒。由于沒(méi)有物理物體接觸顆粒，因此該技術(shù)溫和、不存在生物相容性問(wèn)題且不需要標(biāo)簽，使其成為處理精細(xì)生物分子的誘人選擇。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，聲學(xué)鑷子可以捕獲、旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)粒子或生物體，以進(jìn)行檢查、分類或其他應(yīng)用。他們可以將某些試劑和化學(xué)品分開，然后讓它們以精確的量混合以控制反應(yīng)。該技術(shù)還提供了一種在使用多種技術(shù)將不同材料固定到位以創(chuàng)建新型材料之前對(duì)不同材料進(jìn)行圖案化的途徑。

盡管具有所有潛力，但該技術(shù)確實(shí)有其局限性。大多數(shù)當(dāng)前設(shè)置使用多個(gè)聲源放置在充滿液體的腔室周圍，這些聲源會(huì)形成棋盤格圖案的區(qū)域，這些區(qū)域可以彼此同步捕獲和移動(dòng)粒子。這使得很難獨(dú)立地或通過(guò)復(fù)雜的模式操縱粒子。后者可以通過(guò)在腔室內(nèi)包含固體通道結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這會(huì)損壞精細(xì)顆粒并限制樣品通過(guò)系統(tǒng)移動(dòng)的速度。

為了克服這些限制，杜克大學(xué)的 William H. Younger 工程杰出教授 Steve Cummer 轉(zhuǎn)向了受超材料啟發(fā)的想法。超材料是由許多單獨(dú)的工程特征組成的合成材料，這些特征共同產(chǎn)生了自然界中沒(méi)有的特性。

“我們想將聲波能量注入腔室，并使用腔室外部的結(jié)構(gòu)來(lái)控制內(nèi)部聲波的形狀，”Cummer 說(shuō)。“結(jié)果有點(diǎn)像聲音的光纖，它塑造聲音傳播并有意將其一些能量泄漏到腔室中——一種聲音陰影——以通過(guò)虛擬通道控制內(nèi)部的粒子。”

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